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문제 정의
- 머무르고있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 무연땜납/기판간의 장시간 사용에 따른 기계적 파단기구와 시험방법을 정립하고, 물성이 우수하면서도연구가 거의 진행되지 않았던 Sn계 땜납 개발을 위해, 상태도 및 열역학적인 자료를 활용하여 기존 특허범위에 들어 있지 않은 Sn-Ag-X계 합금을 기본조성으로설계한 후 미세조직 변화, 계면반응층 분석 및 기계적시험을 통하여 고강도 무연 땜납의 제 특성을 평가하고, 기존의 Sn-3.5Ag계 땜납과 비교 관찰하였다.
제안 방법
- 9%이상인 각각의 원소를 무게비를 달리하여 합금을 제조하였다. 시료의 용해는 산화 방지를 위하여 고순도 아르곤 분위기로 유지된 관상로의 탄소도가니에 먼저 Sn을 용해한 뒤 Ag, Bi를 각각 첨가하여 합금을 제조하였으며, 이때 용해온도는 60CTC로 유지하였다. 용해과정에서 발생될 수 있는 합금의 불 균일성을 최대한 억제하기 위해 직경 5 mm의 석영관을 사용하여용탕을 흔합하였으며, Sn과 Bi는 괴 형태를, Ag의 첨가 원소는 약 1 mm의 쇼트형태의 것을 첨가하여 용해하였다.
- 시료의 용해는 산화 방지를 위하여 고순도 아르곤 분위기로 유지된 관상로의 탄소도가니에 먼저 Sn을 용해한 뒤 Ag, Bi를 각각 첨가하여 합금을 제조하였으며, 이때 용해온도는 60CTC로 유지하였다. 용해과정에서 발생될 수 있는 합금의 불 균일성을 최대한 억제하기 위해 직경 5 mm의 석영관을 사용하여용탕을 흔합하였으며, Sn과 Bi는 괴 형태를, Ag의 첨가 원소는 약 1 mm의 쇼트형태의 것을 첨가하여 용해하였다.
- 본 실험에서는 전자부품이 사용도중 발열할 수 있는온도인 were에서 유지시간을 달리하여 시효시킨 후, 열처리 시간에 따른 미세조직 변화를 관찰하였다. 이와 같이 열처리된 시편은 SiC연마지로 #2000번까지습식 연마하고 0.
- 05 /zm 알루미나에서 마무리 연마하였다. 조직 관찰을 위한 부식액은 5%HNO3 + 2%H2SO4 + 알콜을 사용하여 상온에서 수초간 부식시킨 후 광학현미경(Olympus Co., PMG-3)으로 시효시간에 따른 조직의 변화를 관찰하였다.
- 전단강도 시험용 시료는 Cu판 세트를 준비하여, 중앙에 6 mmX 50 mmX 120 mm를 좌우에는 4 mmX 50 mmX 120 mm> 사용하여 시료용 세트를 제작하였다. Cu판의 세트는 모서리에 드릴로 구멍을 가공하고, 나사를끼우면서 3개의 Cu판 사이의 간격을 일정하게 하기위하여 와이어 가공으로 제작한 두께 0.5 mm创 와셔를 Cu판들 사이에 끼워 Cu판 세트를 만들었다. 제작된 세트의 산화피막은 HC1:H2O=1:1^ 용액에 약 20분간 침지하여 에틸알코올에서 초음파 세척함으로서제거하였다.
- 장입이 완료되면, 제작용 포트의 뚜껑을 닿고 약 1분간 같은 온도에서 진공을 유지하여 땜납 내부의 기포를 제거하였다. 제작된 세트의 냉각은 금형과 함께 물에 급랭시켜 실제 reflow 납땜이나, wave 납땜과 유사한 조건을 유지하기 위해 땜납과 Cu판과의 반응시간을 최대한 짧게 하였다. 실제 시험에서는 Cu판을 욕조에 침지 완료 후 약 1분 30초가 소요되었으며, 이때 1분은 진공을 유지한 시간이다.
- 6은 ICXTC에서 하중을 달리하여 실험한 합금조성별 크리프 강도를 나타낸 것이다. 크리프 시험은각 합금에 대하여 여러 온도와 다양한 하중에서 시험을 행하여 크리프 변형기구도표(creep map)를 그려야하지만, 본 시험에서는 단지 합금별로 상대적인 비교시험을 하였다. 그림에서 Nomal 크리프 곡선에 응력을 가한 후 나타나는 순간적인 (instantaneous)변형은 적게 측정되었으며, 솔더내부의 응력분포는 J나의 [이 유한요소에서 나타난 바와 같이 땜납과 계면반응층 접합부에 집중되어, 균열이 시작되면, 하중을 지탱하는 단면적이 감소하여 크리프 곡선이 급격히 변화하는 3차 크리프의 양상이 나타났다.
- Sn-Ag땜납에 Bi를 첨가하여 무연 땜납을 제조한 후 Cu판과의 계면 반응 및 기계적 특성을 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 땜납 합금은 Sn-3.lAg-6.9Bi계 조성으로 순도 99.9%이상인 각각의 원소를 무게비를 달리하여 합금을 제조하였다. 시료의 용해는 산화 방지를 위하여 고순도 아르곤 분위기로 유지된 관상로의 탄소도가니에 먼저 Sn을 용해한 뒤 Ag, Bi를 각각 첨가하여 합금을 제조하였으며, 이때 용해온도는 60CTC로 유지하였다.
- 기판용 Cu는 폭 50 mm, 두께 6 mm와 4 mm, 길이 120 mm의 것으로, Cu 판 표면의 산화스케일은 연삭을 통하여 제거하였으며, #2000까지 SiC로 연마한후, Cu판의 표면 거칠기를 일정하게 하기 위해 SiC 연마지 #1000으로 동일한 거칠기를 형성시켰다. 전단강도 시험용 시료는 Cu판 세트를 준비하여, 중앙에 6 mmX 50 mmX 120 mm를 좌우에는 4 mmX 50 mmX 120 mm> 사용하여 시료용 세트를 제작하였다.
- 전단강도 시험용 시료는 Cu판 세트를 준비하여, 중앙에 6 mmX 50 mmX 120 mm를 좌우에는 4 mmX 50 mmX 120 mm> 사용하여 시료용 세트를 제작하였다. Cu판의 세트는 모서리에 드릴로 구멍을 가공하고, 나사를끼우면서 3개의 Cu판 사이의 간격을 일정하게 하기위하여 와이어 가공으로 제작한 두께 0.
- 전단시험 및 크리프 시험을 위한 시료는 제조한 Cu 판과 땜납의 접합체를 자동 절단기로 열 영향이 가해지지 않도록 수랭하면서 서서히 두께 1.2 mm로 정밀 절단하였다 (독일, Struers사, model: Extrom). 이렇게 제조된 시편을 다시 미세 다이아몬드 절단기(미국,Lecc사, model:VC-50)로 절단종}여 Fig.
성능/효과
- 5%정도가 고용되기 때문에 나머지가 정출될 것으로 판단되었으나, 땜납이 급랭되어 과포화 되었기 때문에 나타나지 않았다. 열처리에 따른 미세조직은 공정 상이 사라지며, AgaSn상의 숫자가 줄어들면서 조대화 됨을 알 수 있는데, 이는 주조상태에서 급랭에 의해 Sn 기지 상에 과포화 되어있던 Ag가 시효에 의해 평형 상이 되면서 빠져나와 AgaSn상을 석출한 것으로 판단된다.
- 1과 같이 제조된 땜납과 기판 접합부의 변형률에 따른 전단강도를 측정한 결과이다. Joint 시편의 인장시험에 의한 응력이 전단변형에 의한 것임을 알아보기 위해 시편의 gage length부분에 grid를 만든 다음 변형후 grid를 관찰한 결과 gage length 부분의 땜납 전체에 걸쳐 균일한 변형이 일어나는 것으로 보아 본 실험의 인장시험은 전단응력에 의한 것임을 확인할 수 있었다. 그림에서 조성에 관계없이 변형률의 증가에 따라 전단강도가 상승함을 알 수 있으며, 이는 변형률의 증가가 땜납과 기판간의 변형에 따른 가공경화 효과를 증진시켰기 때문으로 판단된다.
- 그림에서 조성에 관계없이 변형률의 증가에 따라 전단강도가 상승함을 알 수 있으며, 이는 변형률의 증가가 땜납과 기판간의 변형에 따른 가공경화 효과를 증진시켰기 때문으로 판단된다. 합금조성에 따른 전단강도는 본 연구에서 사용한 시편의조성이 Sn-3.5Ag에 비해 약 40%의 전단강도를 향상시킨 것으로 나타났는데, 이는 첨가된 Bi가 Fig. 2b에서와 같이 땜납에 미세한 석출상을 형성하여 소성변형에 대한 저항성을 중가 시켰기 때문이며, 또한 Fig. 3b에서와 같이 Bi첨가에 따른 계면 반응층 생성 감소와도 연관이 있는 것으로 판단된다.
- Bi가 첨가된 경우에는 파단면에 반응층의 흔적이 나타났으며, 반응층의 조성이 주로 C&Sn, 임읔고려하면, 강도가 높은 반응층에서의 파괴로 인하여 크리프 수명이 증가함을 알 수 있다. 물론 파괴가 계며에서 진행될 경우 땜납과 계면반응층 성장에 따른 응력으로 인하여 균열이 생성되면, 강도가 저하됨 것으로 판단되지만 본 연구의 조성에서는 Fig. 3에서와 같이 반응층의 계면에 균열의 흔적이 나타나지 않아서반응층이 크리프 강도를 개선시킨 것으로 판단된다. Fig.
- 1) Sn-3.5Ag땜납에 Bi가 첨가되면, 시효에 따른 Ag3Sn상의 조대화를 억제하였다.
- 2) 전단시험에 따른 땜납 Cu판의 파괴는 Sn-3.5Ag 경우에는 땜납 쪽에서, Bi가 첨가된 경우에는 땜납과반응층의 계면에서 진행되었다.
- 3) 크리프 시험에 따른 파괴는 전단 파괴와 유사하게 나타났으며, 전단파괴보다 소성변형의 흔적이 심하게 나타났다.
- 4) 10CTC에서 30일간 유지한 경우 파괴는 모두 반응 층과 땜납의 계면에서 진행되었다.
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